Experimental research of stress-strain properties of sandy soil when strengthened with polyurethane compounds

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In a number of cases during construction and operation of engineering facilities, development of mineral deposits it is necessary to improve the properties of sandy soils by strengthening them with polymer compounds. Analysis of current research shows that the effect of flow rate and method of treatment with polyurethanes on the acquired properties of loose rocks is poorly understood. The paper presents the results of laboratory research of chemical strengthening of sandy soil with polyurethane compounds. Geomaterials typically produced by strengthening loose rock with highly elastic polymers have low strength properties and are stable under only minor loads. To improve the strength, a two-binder sandy soil treatment process is proposed, which includes sequential mixing of the soil with a two-component highly elastic slow-reacting compound and a small volume of a fast-curing one-component resin. The aim of the work is to experimentally investigate the dependence of strain and strength properties of sandy soil on the method of mixing with polyurethane compounds and the polymer volume flow rate. A standard one-component method of mixing samples with highly elastic resin at the resin-to-sand volume ratio from 0.05 to 0.4 and a two-component method including additional treatment with fast-curing one-component resin in the volume of 5 % of the strengthened soil were experimentally tested. The effect of polyurethane resins on rock properties was evaluated by triaxial compression strength tests. Electron scanning microscopy was used to determine the content and distribution of cured polymers in the loose rock structure. It was found that the addition of a fast-curing polyurethane compound in the two-component mixing method leads to the formation of aggregates of cured polymer, binding mineral grains without continuous filling of intergranular voids. The presence of such aggregates improves the strength characteristics of sand up to 5 times that is 1.3–3 times more than at the standard one-component mixing with highly elastic resin at a resin-to-rock to be strengthened volume ratio up to 0.3. It was found that under triaxial compression conditions, the geomaterial obtained by the two-component mixing method withstands higher axial stresses. In case the volume ratio of resin to rock is more than 0.3, the strength of the produced geomaterial does not depend on the addition of the fast-curing compound. The study findings practical significance consists in increasing the strength of a sandy soil due to its low-volume strengthening with highly elastic polyurethanes.

About the authors

T. V. Shilova

N. A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: shilovatanya@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5056-9279
SPIN-code: 7924-4729

S. V. Serdyukov

N. A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: ss3032@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1295-4122
SPIN-code: 3001-2051

A. N. Drobchik

N. A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: valker.tiamant@mail.ru
ORCID iD: 0009-0002-7567-6497
SPIN-code: 7420-8925

References

  1. Liu J., Qi X., Zhang D. et al. Study on the permeability characteristics of polyurethane soil stabilizer reinforced sand. Advances in Materials Science and Engineering. 2017;2017(1):5240186. https://doi.org/10.1155/2017/5240186
  2. Shilova T., Serdyukov A., Serdyukov S., Ivanova O. Rock reinforcement by stepwise injection of two-component silicate resin. Polymers. 2022;14(23):5251. https://doi.org/10.3390/polym14235251
  3. Пензев А. П., Самарин Е. Н., Шеховцова А. В. и др. Сравнение эффективности инъекционного закрепления песчаных грунтов в полевых и лабораторных условиях растворами на основе алифатической эпоксидной смолы. Инженерная геология. 2023;ХVIII(4):50–62. https://doi.org/10.25296/1993-5056-2023-18-4-50-62
  4. Исрафилов К. А., Харченко И. Я., Алексеев В. А. Стабилизация проницаемых грунтов модифицированными инъекционными суспензиями на основе коллоидного кремнезёма. Системные технологии. 2021;(3):21–26.
  5. Ma S., Ma M., Huang Z. et al. Research on the improvement of rainfall infiltration behavior of expansive soil slope by the protection of polymer waterproof coating. Soils and Foundations. 2023;63(3):101299. https://doi.org/10.1016/j.sandf.2023.101299
  6. Esmaeili M., Khajehei H. Mechanical behavior of embankments overlying on loose subgrade stabilized by deep mixed columns. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2016;8(5):651–659. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2016.02.006
  7. Choobbasti A. J., Kutanaei S. S. Microstructure characteristics of cement-stabilized sandy soil using nanosilica. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2017;9(5):981–988. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2017.03.015
  8. Васильев В. В. Полимерные композиции в горном деле. М.: Наука; 1986. 294 c.
  9. Liu H., Wang F., Shi M., Tian W. Mechanical behavior of polyurethane polymer materials under triaxial cyclic loading: a particle flow code approach. Journal of Wuhan University of Technology-Materials Science Edition. 2018;33:980–986. https://doi.org/10.1007/s11595-018-1922-9
  10. Сафин А. Г., Сафин Р. Р. Geolift. Применение полиуретанов для стабилизации грунтов и усиления оснований. Полимеры в строительстве. 2024;1(12):26–29.
  11. Cornely W. Elastified silicate resins and polyurethane foam resins for the stabilization of strata-a comparison. In: Proceedings of the 6th International Seminary Reinforcement and Sealing of Rock and Construction at the Beginning of 21st Century. Ostrava, Czech Republic, February; 2001.
  12. De Souza F. M., Kahol P. K., Gupta R. K. Chapter 1. Introduction to polyurethane chemistry. In: Polyurethane Chemistry: Renewable Polyols and Isocyanates. Pittsburg: ASC Publications; 2021. Pp. 1–24. https://doi.org/10.1021/bk-2021-1380.ch001
  13. Sabri M. M. S., Vatin N. I., Alsaffar K. A. M. Soil injection technology using an expandable polyurethane resin: a review. Polymers. 2021;13(21):3666. https://doi.org/10.3390/polym13213666
  14. Sabri M. M., Shashkin K. G. The mechanical properties of the expandable polyurethane resin based on its volumetric expansion nature. Magazine of Civil Engineering. 2020;(6):9811. https://doi.org/10.18720/MCE.98.11
  15. Šňupárek R., Souček K. Laboratory testing of chemical grouts. Tunnelling and Underground Space Technology. 2000;15(2):175–185. https://doi.org/10.1016/S0886-7798(00)00045-6
  16. Jinpeng Z., Limin L., Yang L. Mechanism and experiment of self-stress grouting reinforcement for fractured rock mass of underground engineering. Tunnelling and Underground Space Technology. 2023;131:104826. https://doi.org/10.1016/j.tust.2022.104826
  17. Задирака А. А. Применение полиуретановых композитных составов для устройства оснований и/или покрытий транспортных сооружений. Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 2017;2(4):72–75. https://doi.org/10.12737/article_58e61337c965d4.60850341
  18. Шилова Т. В., Сердюк И. М., Сердюков С. В. и др. Изменение проницаемости рыхлой породы при неполном насыщении высокоэластичной полимерной смолой. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2024;(1):26–32. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20240103
  19. Velez D., Alumbreros D., Carpintero D. et al. Chapter: Consolidation and waterproofing by injection of PU resins. Ilarion Dam-treatment on the spillway tunnel. In: Anagnostou G., Benardos A., Marinos V. P. (Eds.) Expanding Underground-Knowledge and Passion to Make a Positive Impact on the World. Proceedings of the ITA-AITES World Tunnel Congress 2023 (WTC 2023). 12–18 May 2023, Athens, Greece. London: CRC Press; 2023. Pp. 1048–1056. https://doi.org/10.1201/9781003348030-125
  20. Аскадский А. А. Деформация полимеров. М.: Химия; 1973. 448 с.
  21. Miranda L., Caldeira L., Serra J. B., Gomes R. C. Geotechnical characterization of a novel material obtained by injecting a closed cell expansive polyurethane resin into a sand mass. Transportation Geotechnics. 2023;42:101051. https://doi.org/10.1016/j.trgeo.2023.101051
  22. Anagnostopoulos C. A., Papaliangas T., Manolopoulou S., Dimopoulos T. Physical and mechanical properties of chemically grouted sand. Tunnelling and Underground Space Technology. 2011;26(6):718–724. https://doi.org/10.1016/j.tust.2011.05.006
  23. Liu J., Bu F., Bai Y. et al. Study on engineering properties of sand strengthened by mixed fibers and polyurethane organic polymer. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2020;79:3049–3062. https://doi.org/10.1007/s10064-020-01751-9
  24. Wang J., Li X., Wang C. et al. Quantitative analysis of the representative volume element of polymer grouting materials based on geometric homogenization. Construction and Building Materials. 2021;300:124223. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.124223
  25. Bodi J., Bodi Z., Scucka J., Martinec P. Chapter 14. Polyurethane grouting technologies. In: Zafar F., Sharmin E. (eds.) Polyurethane. IntechOpen; 2012. Pp. 307–336. https://doi.org/10.5772/35791

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».